基于陣列超聲成像法的混凝土裂縫深度檢測

張 軍，顧 盛，潘永東，張 健，吳玉龍

(1.昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，昆山 215337；2.同濟(jì)大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海 200092)

混凝土是土木工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的建筑材料之一，其質(zhì)量直接關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)的安全。受設(shè)計(jì)、施工管理方面的影響，混凝土結(jié)構(gòu)很容易產(chǎn)生不同程度的裂縫。裂縫不僅會影響建筑物的美觀和使用功能，還會影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及耐久性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)安全事故。因此，必須對混凝土構(gòu)件裂縫進(jìn)行檢測，準(zhǔn)確掌握裂縫的走勢、寬度、長度和深度[1-3]，以判斷裂縫對建筑物的危害程度并研究相應(yīng)的修補(bǔ)措施[4]。

目前，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫深度的檢測方法主要分為沖擊彈性波法和超聲波法：沖擊彈性波法產(chǎn)生的信號頻率低但能量高，傳播距離遠(yuǎn)，受混凝土內(nèi)部鋼筋、水分和其他雜質(zhì)的影響較小，但只適用于單裂縫的檢測，無法對多裂縫進(jìn)行檢測[5]；超聲波法分為單面平測法、雙面斜測法和鉆孔對測法。CECS21:2000 《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》 介紹了超聲波法檢測。鉆孔對測法與雙面斜測法對混凝土結(jié)構(gòu)及其加工條件的要求較高，且檢測精度較低[6-7]；而單面平測法只要求混凝土結(jié)構(gòu)有一個(gè)可測表面，檢測精度較高，被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。但傳統(tǒng)單面平測法采用雙探頭進(jìn)行檢測，耗時(shí)較多，檢測效率低下；且檢測時(shí)需要使用耦合劑來保證超聲信號的傳輸，探頭耦合的好壞會直接影響檢測精度。因此，單面平測法還需要進(jìn)一步的優(yōu)化[8-10]。

與傳統(tǒng)的超聲法相比，陣列超聲成像法使用的是橫波換能器。同樣頻率下，波長越小，縱波的空間分辨率更高。采用干耦合點(diǎn)接觸式換能器陣列技術(shù)，將傳統(tǒng)點(diǎn)測改為面測可實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃描，并且不用任何耦合劑，檢測效率得到大幅度提升；測試完成后，通過合成孔徑成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)圖像重構(gòu)，能夠更加直觀地反映檢測物體的內(nèi)部質(zhì)量。陣列超聲成像法廣泛應(yīng)用于電力、石油化工、鐵路、核工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，其中最常見的應(yīng)用是焊縫檢測與缺陷檢測[11-12]。筆者將陣列超聲成像法引入混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的深度檢測中，主要介紹了陣列超聲成像法檢測混凝土裂縫深度的原理及影響因素，同時(shí)設(shè)計(jì)制作了一塊預(yù)設(shè)7條不同深度裂縫的素混凝土試件，使用A1040 MIRA混凝土陣列超聲成像儀進(jìn)行跨單裂縫檢測及試件整體成像檢測，并對檢測結(jié)果進(jìn)行了分析，相關(guān)結(jié)論可為后續(xù)研究提供借鑒。

1 陣列超聲成像法的用途及其測試原理

1.1 檢測物體的厚度

圖1為陣列超聲成像儀檢測物體厚度的聲傳播路徑示意，數(shù)字1～12代表每排換能器的編號，檢測時(shí)，第1排換能器激發(fā)超聲信號，其余換能器接收超聲信號。此后，下一排換能器激發(fā)超聲信號，其右側(cè)的換能器接收超聲信號。此過程循環(huán)重復(fù)，直至前11排換能器都已經(jīng)激發(fā)過超聲信號。圖1中的射線代表超聲波傳播路徑，此時(shí)超聲波在物體底部邊界發(fā)生反射，信號處理軟件根據(jù)底部反射超聲波的到達(dá)時(shí)間來推測物體的厚度。測量的信號傳播時(shí)間會被計(jì)算機(jī)根據(jù)合成孔徑成像算法處理生成換能器下方空間的二維圖像，圖像可以顯示被測物體底部超聲波反射邊界的位置，根據(jù)其顯示位置可獲得被測物體的厚度。

圖1 陣列超聲成像儀檢測物體厚度的聲傳播路徑示意

1.2 檢測物體內(nèi)部的缺陷

圖2為陣列超聲成像儀檢測物體內(nèi)部缺陷的聲傳播路徑示意，被測物體內(nèi)部存在缺陷時(shí)，經(jīng)過缺陷的超聲波在缺陷上表面提前發(fā)生反射[13]，由缺陷上表面反射的信號會先于構(gòu)件底面反射的信號到達(dá)接收端，造成超聲的異常反射。測量的超聲信號波形由計(jì)算機(jī)處理后，生成換能器下方空間的二維圖像，圖像可以同時(shí)顯示缺陷及檢測物體底部邊界的位置。

圖2 陣列超聲成像儀檢測物體內(nèi)部缺陷的聲傳播路徑示意

1.3 檢測裂縫深度

圖3為檢測物體存在裂縫時(shí)，裂縫附近探頭發(fā)射和接收超聲波的傳播路徑，此時(shí)經(jīng)過裂縫底端的超聲波在底端處發(fā)生散射，縫底散射的超聲波信號會先于構(gòu)件底面反射的信號到達(dá)換能器，信號處理軟件根據(jù)每排換能器接收到的縫底散射超聲波的傳播時(shí)間來推斷裂縫的深度。測量的信號波形會被計(jì)算機(jī)根據(jù)合成孔徑成像算法處理后，生成換能器下方空間的二維圖像，圖像可以顯示裂縫底端及被測物體底部邊界的位置。

圖3 陣列超聲成像儀檢測裂縫時(shí)的聲傳播路徑示意

以2號換能器發(fā)射的超聲波為例，圖4為有裂縫時(shí)無法被換能器接收的超聲波傳播路徑，虛線為原先沒有裂縫時(shí)超聲波的傳播路徑，實(shí)線為有裂縫時(shí)超聲波的實(shí)際傳播路徑。裂縫的存在阻擋了超聲波的傳播，超聲波經(jīng)過裂縫側(cè)面時(shí)，會在混凝土-空氣界面發(fā)生反射，反射信號無法被換能器接收，因此在二維圖像上無法顯示。

圖4 有裂縫時(shí)無法被換能器接收的超聲波傳播路徑示意

陣列超聲成像法檢測裂縫深度的原理示意如圖5所示，其中2號換能器發(fā)射的超聲波在裂縫底端發(fā)生繞射后被5號換能器接收，已知激發(fā)-接收換能器之間的距離和超聲波的傳播時(shí)間，根據(jù)幾何關(guān)系可以推算出裂縫的深度。設(shè)2號與5號換能器之間的距離為X2～5,超聲波在被測物體內(nèi)部的傳播速度為v，傳播時(shí)間為Δt2～5，則超聲波繞射位置處的裂縫深度d2～5如式(1)所示。

圖5 陣列超聲成像法檢測裂縫深度的原理示意

(1)

由式(1)分析可得，裂縫深度與超聲波在混凝土內(nèi)部的傳播速度有關(guān)，由于混凝土是非均質(zhì)固體，超聲波的傳播速度受混凝土的齡期、密實(shí)度、骨料等多方面因素影響。實(shí)際檢測時(shí)，為了確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)前需在混凝土構(gòu)件上進(jìn)行超聲波在混凝土內(nèi)部傳播速度的測定試驗(yàn)，并在儀器上對超聲波傳播速度參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2 試驗(yàn)構(gòu)件的設(shè)計(jì)制作

在實(shí)驗(yàn)室制作標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件，試件尺寸(長×寬×深)為1 100 mm×1 100 mm×300 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30。試件內(nèi)部不設(shè)鋼筋，在垂直測試面方向預(yù)設(shè)7條不同深度、不同長度的裂縫，試件中的裂縫參數(shù)見表1，裂縫在試件中的位置分布如圖6所示。

表1 試件中的裂縫參數(shù) mm

圖6 裂縫在試件中的位置分布

木模板、鐵皮實(shí)物如圖7所示，首先按照設(shè)計(jì)圖紙加工木模板、鍍鋅鐵皮，每種型號的鐵皮裁剪兩片；然后澆筑混凝土，并用振搗棒充分振搗，確保混凝土密實(shí)；緊接著在鍍鋅鐵皮表面均勻涂抹潤滑油，將同種型號的兩片鐵皮背部緊緊貼合，一起插入試件中裂縫的設(shè)計(jì)位置處；最后在混凝土養(yǎng)護(hù)期間，為了避免鍍鋅鐵皮與混凝土黏結(jié)，混凝土初凝時(shí)先拔出其中一塊鐵皮，另一塊鐵皮拔出一點(diǎn)后再退回原來的位置，等到混凝土終凝后再完全拔出。成型后的預(yù)設(shè)裂縫混凝土試件實(shí)物如圖8所示。

圖7 木模板、鐵皮實(shí)物

圖8 成型后的預(yù)設(shè)裂縫混凝土試件實(shí)物

3 檢測過程

3.1 檢測儀器

試驗(yàn)采用A1040 MIRA混凝土陣列超聲成像儀，該成像儀工作面長為370 mm、寬為130 mm，換能器陣列分布為4行×12列，共計(jì)48個(gè)，長度方向探頭間距為30 mm，寬度方向探頭間距為24 mm。該設(shè)備不僅兩側(cè)設(shè)有標(biāo)尺，底面還安裝了4個(gè)激光發(fā)射器，便于現(xiàn)場檢測時(shí)的儀器定位。標(biāo)稱換能器操作頻率為25 kHz～85 kHz橫波，均為干耦合點(diǎn)接觸超聲換能器(DPC)。換能器探頭均裝載有彈簧，適用于粗糙的混凝土表面。每個(gè)測點(diǎn)采集和處理數(shù)據(jù)的時(shí)間不超過3 s，顯示結(jié)果為換能器下方空間的二維圖像。

3.2 檢測過程及檢測數(shù)據(jù)

3.2.1 跨單裂縫檢測

檢測時(shí)，A1040 MIRA混凝土超聲陣列成像儀兩側(cè)標(biāo)尺的零刻度線與裂縫大致重合，保持橫向激光定位線與裂縫平行，儀器與裂縫保持垂直，操作儀器得到換能器下方的二維斷面圖像，測試數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 7種裂縫及構(gòu)件底板二維斷面圖像

3.2.2 試件整體成像檢測

試驗(yàn)前需提前布置測線，根據(jù)試件表面裂縫的位置分布，確定陣列超聲成像法的測線布置(見圖10)。水平測線的間距為100 mm，邊距為150 mm；豎向測線的間距為150 mm,邊距為175 mm。

圖10 測線布置示意

陣列超聲成像法的測試方法為：從測線交點(diǎn)(H1,V1)開始，沿著水平測線H1方向，依次對水平測線H1與豎向測線的交點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，采集結(jié)束后轉(zhuǎn)換到水平測線H2,重復(fù)以上步驟。依此類推，直到水平測線和豎向測線所有交點(diǎn)的數(shù)據(jù)全部采集完成(見圖11)。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用配套軟件IntroView處理，可實(shí)現(xiàn)各測點(diǎn)圖像拼接并自動(dòng)剔除重復(fù)區(qū)域，最后得到測線范圍內(nèi)的三維影像(見圖12)。

圖11 數(shù)據(jù)采集圖

圖12 試件整體的超聲陣列三維影像

3.3 結(jié)果分析

從二維影像斷面圖中讀取各裂縫檢測深度，與其實(shí)際深度進(jìn)行分析對比(見表2)。

由表2分析可得：1號裂縫相對誤差最大，為16.7%，主要是因?yàn)?號裂縫長度短且位于試件邊緣，檢測時(shí)受邊界效應(yīng)影響，測試數(shù)據(jù)誤差較大，因此不具備參考價(jià)值。2,3,4,5,6,7號裂縫相對誤差分別為-10%,5%,4%,3.3%,0,0，均滿足標(biāo)準(zhǔn)JJF 1334-2012 《混凝土裂縫寬度及深度測量儀校準(zhǔn)規(guī)范》：測量深度為50～500 mm時(shí)，最大允許誤差為±10%，儀器檢測精度滿足要求。3，4，5，6，7號裂縫相對誤差在±5%以內(nèi)，檢測精度較高。且隨著裂縫深度的不斷加深，儀器的測試誤差逐漸變小，這是因?yàn)榛炷辆哂胁痪鶆蛐?，超聲波?shí)際傳播速度與試驗(yàn)前測定的聲速誤差較大，隨著裂縫深度的不斷加深，經(jīng)過裂縫底端的超聲射線逐漸增加，超聲實(shí)際傳播速度與試驗(yàn)前測定的聲速誤差逐漸減小，其檢測精度也就逐漸提高。

表 2 裂縫深度檢測值與實(shí)際值對比

從試件整體的三維影像圖可以看出：2，3，4，5，6，7號裂縫均被成功檢測出，且效果十分明顯，而1號裂縫卻被漏檢。這是因?yàn)椋?dāng)裂縫底端位于檢測盲區(qū)內(nèi)時(shí)，沒有超聲波經(jīng)過裂縫底端發(fā)生繞射，并被換能器接收，因此無法被儀器探測到，從而出現(xiàn)漏檢的情況。在裂縫兩側(cè)略微調(diào)整儀器的位置，使裂縫底端不再位于盲區(qū)內(nèi)。

4 結(jié)語

(1) 對于混凝土裂縫深度的檢測，采用陣列超聲成像的檢測方法是可行的。其檢測精度滿足標(biāo)準(zhǔn)JJF 1334-2012的要求。

(2) 經(jīng)過裂縫側(cè)面的超聲波會發(fā)生反射，反射信號無法被換能器接收，經(jīng)過裂縫底端的超聲波會在縫底處發(fā)生散射而繞著傳播，陣列超聲成像法根據(jù)換能器接收到的繞射超聲波的傳播時(shí)間來推斷裂縫的深度，因此生成的二維圖像可以顯示縫底的位置，但無法顯示裂縫整體。

(3) 隨著裂縫深度的不斷加深，儀器的檢測精度逐漸提高。因?yàn)闃?gòu)件中深度越深，超聲射線越密集，隨著裂縫深度的不斷加深，經(jīng)過裂縫底端的超聲射線逐漸增加，其檢測精度逐漸提高。

(4) 陣列超聲成像儀器存在檢測盲區(qū)，當(dāng)裂縫底端位于檢測盲區(qū)內(nèi)時(shí)，沒有超聲波經(jīng)過裂縫底端發(fā)生繞射而被換能器接收，因此裂縫無法被儀器探測到，從而出現(xiàn)漏檢的情況。在裂縫兩側(cè)略微調(diào)整儀器的位置，使裂縫底端不再位于盲區(qū)內(nèi)，裂縫將被發(fā)現(xiàn)。

(5) 陣列超聲成像法具有邊界效應(yīng)，當(dāng)裂縫長度短且位于混凝土構(gòu)件邊緣時(shí)，無法準(zhǔn)確檢測裂縫深度。